组蛋白修饰与基因调控_周蔚

9　K im SK et al .Pr oc Nat l A cad Sci U SA ,1998;95:1523

10　Rakin A et al .M o l M icr obio l,2001;39:407

11　Hinnebusch BJ et al .J M ed M icro biol ,2000;290:48312　Welkos S et al .V accine,2002;20:2206

13　Rakin A et al .M icro biolog y ,1996;142:3415

14　Hinnebusch BJ et al .J Infect Dis,1998;178:140615　Do ng x ingqi et al .P la smid,2000;43:144

(2002-07-21　收稿)

组蛋白修饰与基因调控

周　蔚综述　王世鑫审阅

中国人民武装警察部队医学院军事医学教研室(天津,300162)

摘要　基因表达是一个受多因素调控的复杂过程。组蛋白是染色体基本结构—核小体中的重要组成部分,其N -末端氨基酸残基可发生乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、多聚A DP 糖基化等多种共价修饰作用。组蛋白的修饰可通过影响组蛋白与D NA 双链的亲和性,从而改变染色质的疏松或凝集状态,或通过影响其它转录因子与结构基因启动子的亲和性来发挥基因调控作用。组蛋白修饰对基因表达的调控有类似DN A 遗传密码的调控作用。

关键词　组蛋白;共价修饰;基因表达调控;

2001年2月,人类基因组测序工作全部完成,这标志着人类对自身的了解向前迈了一大步。随着对人类基因序列和多种生物基因序列的掌握,基因调控即遗传信息是如何精密调控和准确表达的成为新的研究热点。利用现有的基因数据库和不断发展的光学仪器,科研工作者能快速鉴别出修饰染色质结构和调控转录过程的各种蛋白。许多与组蛋白修饰有关的转录共激活因子(co -activ ato r)和共阻遏蛋白(co-represso r)相继被发现,这些发现将染色质结构摆到了基因调控研究的中心,越来越多的研究结果显示,染色质在基因调控中发挥着重要作用。

核小体是染色质的基本结构单位。长久以来人们都认为核小体只是一种将遗传信息进行高密压缩

从而形成染色体结构的形式。最近人们发现其功能不局限于此,核小体在基因遗传的几乎各个方面都发挥着重要的决定性作用。核小体是由核心组蛋白八聚体(2个拷贝的H 2A 、H 2B 、H 3、H 4)及缠绕其外周长度为146碱基对的DN A 组成。核心组蛋白的N -端尾部暴露在核小体的表面并可发生共价修饰,从而对基因表达发挥调控作用。常见的组蛋白尾部修饰方式有:乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、多聚ADP 糖基化等。乙酰化和磷酸化是可逆性修饰,由于目前尚未发现去甲基化的酶,故认为甲基化是不可逆修饰。图1[1]显示的是组蛋白H 3和H 4的N -端尾部氨基酸排列顺序、常见的修饰位点及这些位点相应的修饰方式、

修饰间相互影响。

图1　组蛋白H3和H4的常见修饰方式及位点

1　乙酰化与基因调控

乙酰化是最早被发现的与转录有关的组蛋白修饰方式。乙酰化由组蛋白乙酰基转移酶(HAT )催

化,去乙酰化由组蛋白去乙酰基酶(HDAC )催化。由

于体内存在组蛋白乙酰化和去乙酰化的平衡关系,所以组蛋白乙酰化发生频率很低。乙酰化主要发生在组蛋白H3和H4的N-端尾部比较保守的赖氨酸(Ly s)残基上。利用特殊的HAT 可将特异位点的

Ly s 残基乙酰化[2]

。组蛋白乙酰化和染色质构型重

建都能作用于相同的启动子来参与基因调控,因此两者在功能上相互联系。但是,究竟是染色质构型改变发生在组蛋白乙酰化之前,还是组蛋白乙酰化发生在染色质变构之前,不能一概而论。在酿酒酵母(S.cerev isiae),DNA转录发生在染色质高度凝集的有丝分裂期,此时组蛋白要乙酰化则染色质构型必须先改变。而对细胞周期高度可诱导的非依赖基因而言,如哺乳动物 -干扰素和激素受体依赖基因,组蛋白乙酰化就先于染色质构型重建。

乙酰化对基因调控的影响据推测可能是由于:组蛋白尾部Lys残基的乙酰化能够使组蛋白携带正电荷量减少,降低其与带负电荷DNA链的亲和性,促使参与转录调控的各种蛋白因子与DNA结合,进而发挥转录调控作用。利用染色质免疫沉淀法(CHIP)技术发现,启动子附近的组蛋白H3、H4的乙酰化水平升高可影响多种生物的可诱导基因的转录起始[3,4]。在多种生物中,沉默交配型基因座(HM L和HMR)乙酰化,将使两种交配型都表达,从而使单倍体细胞获得许多非交配型双倍体的特性。

Turner[5]认为组蛋白H4尾部Lys5和Ly s12去乙酰化将促进染色质的组装,原因可能是新组装形成的染色质倾向于采取“封闭式”构像,转录因子和染色质修饰酶可对其构像加以修饰从而使其不“封闭”。H4Lys去乙酰化能短时间的保持染色质非封闭状态,为转录因子和染色质修饰酶结合及发挥作用提供时间差。显微镜分析亦证实,新组装形成的染色质中的H4在被HDAC去乙酰基前维持几分钟的双乙酰化,可为上述过程提供时间。Lys残基低乙酰化与异染色质形成及基因沉默(gene silencing)有关[6]。Sir2在体外实验中能有效地使组蛋白去乙酰化,其酶活性是维持异染色质结构域基因沉默所必须的[7]。Sir2-Sir4复合物结合在染色质上,使组蛋白去乙酰化,Sir2完成去乙酰化后离开Sir4,而后Sir3与Sir4结合形成Sir3-Sir4复合物,此复合物能阻止去乙酰化部位再度乙酰化,并与H3和H4尾部氨基酸结合,从而维持基因沉默[1]。

早期对染色质及其特征性组分进行归类划分时就有人总结出:异染色质结构域组蛋白呈低乙酰化(hypo acety latio n),常染色质结构域组蛋白呈高乙酰化(hyper acety lation)。上述研究结果更证实这一点。最近有研究发现某些HAT复合物含有一些常见的转录因子,某些HDAC复合物含有已被证实的阻遏蛋白,这些发现更加支持高乙酰化与激活基因表达、低乙酰化与抑制基因表达有关的看法。2　甲基化与基因调控

组蛋白甲基化是由组蛋白甲基化转移酶(HM T)催化的。甲基化的作用位点在Lys、精氨酸(Arg)的侧链N原子上。组蛋白H3的第4、9、27和36位及H4的第20位Lys,H3的第2、17、26位及H4的第3位Ar g都是甲基化的常见位点。对组蛋白甲基化与基因表达调控的研究主要集中在H3的Ly s4和Lys9上。

Suv39蛋白是第一个被发现的HM T。人的SU V39H1,鼠的Suv39h1,S.p ombe的Clr4都属Suv39家族,能特异性地甲基化H3的Ly s9。破坏鼠的Suv39h1会导致基因不稳定,染色体错误分离,雄性减数分裂缺陷[8]。异染色质蛋白1(HP1)是异染色质的特征性蛋白,它有两个高度保守域:CD (chrom o do main)和CSD(chro mo shadow domain)[9]。HP1的CD能特异性的识别结合被Suv39甲基化的组蛋白H3的Lys9,有大量实验证明这种识别与相互作用是维持异染色质基因沉默必不可少的[10]。CSD则参与HP1与Suv39及其它蛋白间的相互作用。Suv39-HP1复合物在常染色体基因座起转录抑制作用。以哺乳动物为例:视网膜神经胶质瘤蛋白(Rb)是一种共阻遏蛋白,它促使HDAC 将乙酰化的Lys9去乙酰化,Suv39H1-H P1复合物结合到去乙酰化的Ly s9上使其甲基化,然后HP1通过增强Rb相关的抑制功能,从而发挥转录抑制作用[11]。在对小鸡红细胞系的 -珠蛋白基因座与组蛋白甲基化相关性研究中发现,位于叶酸盐受体和珠蛋白基因间约16kb长的凝集的染色质区近20%的H3Lys9甲基化,高水平的H3Lys9甲基化能使甲基化和凝集状态扩散[12]。

组蛋白H3的Lys4甲基化与转录的活化状态有关。通过对酵母分裂期的沉默交配型基因座研究发现,在沉默的异染色质有约20kb长的基因片段中只有H3的Ly s9甲基化,而Ly s4无甲基化。相反,在周围转录活跃区域,组蛋白只在Ly s4甲基化,而Ly s9无甲基化。Bogg s[13]通过CHIP发现,H3的Ly s9甲基化与X染色体中无活性的基因的启动子有关,而Lys4甲基化与X染色体中有活性的基因的启动子有关。组蛋白H4的Lys20离H4的第一个 -螺旋非常近,它在细胞周期的后期甲基化。H4的Ly s20甲基化能否促进HP1的结合并不完全肯定,但存在这种可能。Arg甲基化是一种与转录活化状态有关的组蛋白修饰方式[14]。最近研究发现CARM1,一种共激活因子,是一个敏感的“分子开